Fracture Toughness for Ship Hull

8/8/2019 Fracture Toughness for Ship Hull

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ELSEVIER 0 9 5 1 - 8 3 3 9 ( 9 4 ) 0 0 0 2 5 - 5

Marine StructuresS (1995) 345-357Elsevier Seienc~ LimitedPrinted in Gre at Britain,0951-8339/95/$9.50

Reco m m en d ed F rac tu re To u g h n ess for S h ip H u l lS tee l a n d W eld

J . D . G . S u m p t e r & A . J . C a u d r e yD e f e n c e R e s e a r c h A g e n c y , S t L e o n a r d ' s H i l l , D u n f e r m l i n e , F i fe , K Y I 1 5 P W U K

( R e c e i v e d 7 D e c e m b e r 1 99 4)

ABSTRACTCurrently used toughness criteria for ship hull steel and weld were empiri-cally derived in the 1950s. This paper suggests more quantitative guidelinesbased on dynamic fracture mechanics testing. A minimum toughness of1,95 MPa m m at a temperature of OC and a loading rate of lO4 MPa mm /sis proposed. With some loss of precision this can be translated to a Charpyrequirement of FATT below OC. Grade A plate often fails to meet thistoughness level and is consequently considered by t h e a u t h o r s t o be unsui-table for use in ships" hulls.Key words." s h i p s, f r a c tu r e m e c h a n i c s , t o u g h n e s s .

INTRODUCTION

F r a c t u r e m e c h a n i c s i s o f t e n s a i d t o h a v e o r i g i n a t e d f r o m s t u d i es o f w e l d e ds h i p f a i l u r e s i n t h e l a t e 1 9 4 0 s . I t i s t h u s s t r a n g e t h a t c u r r e n t s h i p b u i l d i n gc o d e s c o n t a i n l i t t l e r e f e r e n c e t o f r a c t u r e m e c h a n i c s t e c h n i q u e s ; a n d t h a t , i nr e c e n t y e a r s , v e r y f e w p a p e r s h a v e b e e n p u b l i s h e d c o n t a i n i n g f r a c t u r et o u g h n e s s d a t a f o r sh i p st ee ls a n d w e l d s . M o d e m f ra c tu r e m e c h a n i c sm e t h o d s a l l o w e x t r a p o l a t io n o f la b o r a t o r y d a t a t o t h e s t ru c t u re i n te r m so f l o c a l s t r es s d i s t r i b u t i o n s a n d c r it ic a l d e f e c t s i z es f o r c r a c k e x t e n s i o n .M o s t i n d u s t r i e s h a v e a d o p t e d t h e s e m e t h o d s t o e v a l u a t e n e w m a t e r i a l sa n d t o e s t a b l i s h s a f e t y c a s e s .

S h i p c l a s s i f ic a t io n s o c i e ty r u le s 1 h a v e b e e n d e v e l o p e d f r o m a n a l y s is o f C r o w n c o p y r i g h t ( 19 9 5)

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346 J. D. G. Sumpter, A. J. Caudreysh ip f a i lu re s in the 1950s. 2 Sh ip s te e l i s c la s s i fi ed in to fou r g rades A , B , Da n d E , d i f f e r e n t i a t e d b y d e o x i d a t i o n p r a c t i c e , h e a t t r e a t m e n t , c h e m i c a lc o m p o s i t i o n , a n d C h a r p y V n o t c h e n e r g y . G u i d a n c e i s g i v e n o n s t e e lu s a g e d e p e n d e n t o n s u c h f a c to r s a s p l a t in g t h i ck n e s s , t h e l e n g t h o f t h es h i p , a n d t h e l o c a t i o n i n t h e s h i p ( e .g . a b e t t e r g r a d e o f s te e l m u s t b e u s e da t m i d s h i p s w h e r e t h e a p p l i e d s t r es s es a r e h i g h e s t) . S e p a r a t e g u i d e l i n e s a r eg i v en o n w e l d m e t a l C h a r p y r e q u ir e m e n t s. P e r h a p s t h e m o s t c o n t r o v er s ia la s p e c t o f t h e c u r r e n t r u le s is t h a t t h e y a l l o w e x t en s iv e u s e t o b e m a d e o fg r a d e A s te el , w h i c h h a s n o C h a r p y r e q u i r e m e n t . I t is , fo r i n s ta n c e ,p o s s i b l e t o c o n s t r u c t a s h i p e n t i re l y f r o m g r a d e A s t ee l p r o v i d e d t h e p l a t -i n g is le s s t h a n 15 m m t h i c k a n d t h e l e n g t h o f t h e s h i p i s l es s t h a n 2 5 0 m . ~

T h e m o s t c o m p r e h e n s i v e r e c e n t r e v i e w s o f s h i p f r a c t u r e c o n t r o l t e c h -n o l o g y a r e t h o s e p u b l i s h e d b y t h e U n i t e d S t a t e s S h i p S t r u c t u r e s C o m m i t -t e e. 3-7 T a k e n t o g e t h e r t h e s e r e v i e w s c o n s t i t u t e a n i m p r e s s i v e v o l u m e o fd o c u m e n t a t i o n w h i c h i d e n t i f i e s a l l t h e i m p o r t a n t i s s u e s a f f e c t i n g s h i pf r a c t u r e s a f e t y . U n f o r t u n a t e l y , i n s p i t e o f t h e d e t a i l c o n t a i n e d i n t h er e p o r t s , t h e y s t il l f ai l t o p o i n t a c l e a r w a y f o r w a r d f o r r e p l a c e m e n t o f t h ec u r r e n t r u l e s .

T h i s p a p e r r e v ie w s s o m e o f t h e a u t h o r ' s e x p e r i en c e i n a p p l y i n g f r a c t u r em e c h a n i c s m e t h o d s t o s h i p s a f e ty a n a ly s is . P r e v i o u s p a p e r s o n t h i s t o p i cby the au tho rs a re l i s t ed in th e r e fe renc es . 8 -1

F R A C T U R E M E C H A N I C S A P P R O A C HA l l s t r u c t u r a l s t e e l s a n d w e l d s u s e d f o r s h i p c o n s t r u c t i o n c a n u n d e r g o at r a n s i t i o n i n t h e i r f r a c t u r e m o d e b e t w e e n c l e a v a g e a n d t e a r i n g . O n c ec l e a v a g e f r a c t u r e s i n i t i a t e th e y c a n p r o p a g a t e v e r y r a p i d l y a t r e l a ti v e l y l o we l a s t i c s t r e s s l e v e l s . A t e a r i n g f r a c t u r e o n t h e o t h e r h a n d r e q u i r e s s i g n i f i -c a n t s u s t a i n e d e n e r g y i n p u t , w h i c h i s o n l y l i k e l y t o b e p r e s e n t w i t h v e r yl a r g e c r a c k s ( m e t r es i n l e n g t h ) o r u n d e r c o n d i t i o n s o f h i g h l o c a l is e d p l a s ti cs t r a i n . A f i r s t e s s e n t i a l s t e p i n e s t a b l i s h i n g f r a c t u r e s a f e o p e r a t i o n i s t os e l e c t s t e e l s a n d w e l d s w h i c h w i l l n o t i n i t i a t e c l e a v a g e f r a c t u r e u n d e rs t r u c t u r a l l o a d i n g c o n d i t i o n s . C l e a v a g e f r a c t u r e i n a g i v e n s t e e l o r w e l db e c o m e s m o r e l i ke l y a s t e m p e r a t u r e d e c re a se s , a n d a s lo a d i n g r a t e a n dp l a t i n g t h i c k n e s s i n c r e a s e . C l e a v a g e i s a l s o m u c h m o r e l i k e l y t o o c c u rf r o m a f a ti g u e c r a c k t h a n f r o m a r e l at iv e l y b l u n t n o t c h o f t h e t y p e u s e d i nt h e C h a r p y s p e c i m e n .

I n o r d e r t o p r e d i c t w h e t h e r c l e a v a g e w i l l o c c u r i n a s t r u c t u r e i t i sn e c e s s a r y t o m a t c h t h e w o r s t e x p e c t e d s e r v i c e c o n d i t i o n s a s c l o s e l y a sp o s s i b l e i n t h e l a b o r a t o r y t e s t p i e c e . T h e f r a c t u r e m e c h a n i c s a p p r o a c hu s e s a s p e c i m e n w i t h f u l l s t r u c t u r a l t h i c k n e s s a n d a f a t i g u e p r e c r a c k . T h e


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R e c o m m e n d e d fr a c t u r e t ou g h ne ss 347t e st is c o n d u c t e d a t t h e m i n i m u m e x p e c t e d se rv i ce t e m p e r a t u r e a n d t h eh i g h e s t e x p e c te d s e rv i ce l o a d i n g r a t e . L o a d a n d d i s p l a c e m e n t a t t h e p o i n to f c l e a v a g e i n s t a b i l it y a r e u s e d t o c a l c u l a t e a t o u g h n e s s w h i c h i s t r a n s l a -t a b l e t o s t r u c t u r a l c o n d i t i o n s i n t e r m s o f s t re s s le v e l a n d c r a c k s iz e. T e s tp r o c e d u r e s a r e d o c u m e n t e d i n s t a n d a r d s s u c h a s B S7 44 8.1 1

T ]h e p a r a m e t e r u s e d t o i n d e x t o u g h n e s s i n t h i s r e p o r t i s t h e J i n t e g r a le x p r e s s e d i n s tr e ss i n t e n s i t y u n i t s o f s tr e ss t i m e s t h e s q u a r e r o o t o f c r a c kl e n g t h ( M P a m l / a ) . T h e s y m b o l K j c i s u s e d t o d e n o t e t h e t o u g h n e s s a tc l e a v a g e i n s ta b i li ty . A n u m b e r o f a n a l y si s p r o c e d u r e s e x is t t o t r a n s l a t e K j cto a s t ru c tu ra l c r i t i c a l de fec t s i z e o r a l lo w ab le s t r e s s l eve l . 12,13 A t a s imp le rl ev e l, t h e a u t h o r s h a v e s u g g e s t e d i n p r e v i o u s p a p e r s t h a t a t o u g h n e s s , K jco f 1 25 M P a m 1/2 w i l l g e n e r a l l y b e s u f f i c ie n t t o a v o i d f r a c t u r e g i v e n t h ea p p l i e d a n d r e s i d u a l s t re s s le v e ls l i k e ly t o b e p r e s e n t i n a n o r m a l s h i p . T h i ss h o u l d , h o w e v e r , b e r e g a r d e d a s a m i n i m u m r e q u i r e m e n t . I d e al l y , f o r to t a la s s u r a n c e o f f r a c t u r e s a f et y , a f r a c t u r e m e c h a n i c s s p e c i m e n t e s t e d a tm a x i m u m s er vi ce l o a d i n g r a t e a n d m i n i m u m s er vi ce t e m p e r a t u r e s h o u l df a il b y d u c t i l e t e a r i n g a t p l a s t i c l i m i t l o a d w i t h n o s i g n o f c l e a v a g eins tab i l i ty .

T h e q u e s t io n o f w h a t t e m p e r a t u r e a n d l o a d i n g ra t es a r e a p p r o p r i a t ef o r a g i v e n s h i p is a c o m p l e x o n e . C l e a r l y m o s t s h i p s w i l l o c c a s i o n a l l ye x p e ri e nc e s ea te m p e r a t u r e s o f 0 C a n d a i r te m p e r a t u r e s a r o u n d - 1 0 C .S h i p s d e s i g n e d f o r A r c t i c o r A n t a r c t i c o p e r a t i o n m i g h t e n c o u n t e r a i rt e m p e r a t u r e s a s l o w a s - 4 5 C , b u t s t e el t e m p e r a t u r e s w i ll d e p e n d o n t h ed e g r e e o f i n s u l a t io n a n d i n t e r n a l t e m p e r a t u r e i n t h e s hi p . L o a d i n g r a t e sa re , f im i lar ly d i f f i cu l t to gene ra l i s e , bu t i t is c e r ta in tha t sh ips exp e r ienc es o m e d e g r e e o f d y n a m i c l o a d i n g d u e t o w a v e s l a m m i n g . I t is co n s e -q u e n t l y n o t s a t is f a c to r y t o p e r f o r m s t at ic ( s l o w ly l o a d e d ) f r a c t u r em e c h a n i c s t e s t s a t t h e r a t e s p r e s c r i b e d i n B S 7 4 4 8 P a r t 1 . T h e a u t h o r sh a v e : p r e v i o u s l y r e c o m m e n d e ds t h a t t e s t s b e c o n d u c t e d a t r a t e s o fa r o u n d : 104 M P a m l /Z /s to r e p r e s e n t d i s h i n g o f a h u l l p l a t e u n d e r l o c a ls l a m m i n g i n a s h i p 's b o t t o m ; a n d 1 0 2 M P a m l / 2 / s t o r e p r e s e n t t h e e ff e cto f s l a m m i n g a t t h e m i d s h i p s d e c k .

D E T A I L S O F P R E S E N T S T U D YT h i s p a p e r r e p o r t s f r a c t u r e m e c h a n i c s t o u g h n e s s d a t a f o r a r a n g e o f p la t e se x t r a c t e d f r o m s h i p s b u i l t b e t w e e n 1 9 5 5 a n d 1 9 8 0 . I t w a s n o t p o s s i b l e t oi d e n t if y a c l e a r t r e n d i n t o u g h n e s s w i t h t h e a g e o f t h e s h i p. T h e p l a te sv a r i e d f r o m b e t w e e n 5 a n d 1 5 m m t h i c k , b u t o n c e a g a i n t h e r e w a s n oo b v i o u s d e c r e a s e i n t o u g h n e s s a s p l a t e t h i c k n e s s i n c re a s e d . (S u c h a t r e n dw o u l d b e e x p e c t e d f o r s p e c i m e n s e x t r a c t e d f r o m o n e p l a t e a n d m a c h i n e d


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348 J . D . G . S u m p t e r , A . J . C a u d r e y

~ 15ram50 mm

i_ ~l B250 mmFig. 1. Typ ical dimen sions o f fracture mechan ics toughn ess specime nused in studies. Thethickness B ranged between 5 and 15 mm .

t o d i f f e r e n t th i c k n e s s e s , b u t c a n b e d i s g u i s e d b y s c a t t e r b e t w e e n m e t a l l u r -g i c a ll y d i f f e r e n t p l a t e s ).

T h e m a j o r i t y o f p la t e s t es t e d w e r e g r a d e A ( w i th n o c e r ti fi e d C h a r p yv a l u e ) . O n e r e s u l t f r o m a g r a d e D p l a t e i s i n c l u d e d f o r c o m p a r i s o n . Al i m i t ed n u m b e r o f re s u lt s f r o m w e l d s a n d w e l d h e a t a f f e ct e d z o n e s ( H A Z )a r e a l s o a v a i l a b l e .

T h e d e s i g n o f fr a c t u r e m e c h a n i c s s p e c i m e n u s e d in m o s t o f t h e p r e s e n ts t u d i e s is i l lu s t r a t e d i n F i g . 1. T h e d e p t h W o f t h e s p e c i m e n is m a i n -t a i n e d a t 5 0 m m i rr e sp e c ti v e o f p l a t in g t h i c k n e s s. T h i s p h i l o s o p h y d i f f er sf r o m t h a t i n B S 7 4 4 8 w h e r e t h e d e p t h W o f t h e s p e c i m e n is s p ec if ie d t o b et w i c e t h e t h i c k n e s s , B . T h i s w a s f e l t t o b e i n a p p r o p r i a t e a s v e r y s m a l ls p e c i m e n s r e s u l t i f B i s a s s m a l l a s 5 m m . I n a ll s a m p l e s B w a s m a i n -t a i n e d a t t h e f u ll p r o d u c t t h i c k n e s s, w i th m i n i m a l p r e p a r a t i o n o f t h ep l a t e o r w e l d s u r f a c e .F r a c t u r e m e c h a n i c s t e s t s w e r e c a r r i e d o u t i n t h r e e p o i n t b e n d i n g i n as in g le s h o t s e rv o h y d r a u l ic m a c h i n e w i th a m a x i m u m r a m d i s p l ac e m e n tr a t e o f 1 m / s . M o s t s p e c i m e n s f a il e d a t le ss t h a n 5 0 k N . S p e c i m e n s w e r es o a k e d a t 2 C b e l o w t h e i n t e n d e d t e s t t e m p e r a t u r e a n d q u i c k l y tr a n s f e r r e dt o t h e b e n d r ig f o r te s t in g . I n o r d e r t o r e d u c e o s c i l la t i o n s o n t h e f o r c e - t i m et r ac e a s m a l l p r e l o a d ( ~ 2 k N ) w a s a p p l i ed t o t h e s p e c im e n , w h i c h w a st h e n a c c e l e r a t e d t o f a i lu r e . A t t h e f a s t e st r a m d i s p l a c e m e n t r a t e a c h i e v a b l es p e c im e n f ai lu r e t o o k a r o u n d 4 m s .

T h e f o r ce a p p l i e d t o t h e s p e c i m e n w a s m e a s u r e d b y a p i e zo - e le c tr icf o r c e w a s h e r , w h i c h w a s c a l i b r a t e d a g a i n s t t h e c e r t if i c a t e d t e s t in g m a c h i n el o a d c ell . M o u t h o p e n i n g d i s p l a c e m e n t w a s d e t e r m i n e d b y a c li p g a u g ea t t a c h e d t o i n t e g r al k n i f e e d g e s o n t h e t o p s u r fa c e o f t h e s p e c i m e n . T h eo u t p u t f r o m t h e cl ip g a u g e w a s p a s se d t h r o u g h a h i g h r e s p o n s e a m p l if ie r .F o r c e , c l ip g a u g e d i s p l a c e m e n t , a n d m a c h i n e a c t u a t o r d i s p l a c e m e n t w e r er e c o r d e d o n a t r a n s ie n t r e c o r d e r.

C l e a v a g e i n s t a b i l it y is o b v i o u s a s a c l e a r d i s c o n t i n u i t y o n t h e l o a da n d c li p g a u g e t r ac e s. T h e l o a d a n d d i s p l a c e m e n t a t i n s ta b i li t y is u s e dt o c a l c u l a t e J c , a n d h e n c e K j c u s i n g a m e t h o d d e v e l o p e d b y t h ea u t h o r s . 8


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Recommendedfracture toughness 3 4 9R E S U L T S

F i g u r e 2 s h o w s r e s u lt s fo r s ix d i f f e r e n t g r a d e A p l a t e s t e s te d a t as tr e s s i n t e n s i t y r a te o f 1 04 M P a m Z /2 /s . T h e t a r g e t t o u g h n e s s l e v e l o f1 2 5 M P a m 1/2 i s s h o w n a s a h o r i z o n t a l d o t t e d l i n e. F o u r o f t h e p l a te s s h o ws a t i s f a c t o r y t o u g h n e s s ( i.e . t h e y e x c e e d 1 2 5 M P a m 1/z a t 0 C ) b u t t h e o t h e rt w o p l a t e s s h o w m u c h h i g h e r t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e s . A l l p l a t e s m e t t h ec h e m i c a l c o m p o s i t i o n r e q u i r e m e n t s f o r g r a d e A s te e l.

F i g u r e 3 c o m p a r e s t h e t o u g h n e s s o f o n e g r a d e D p l a te s a m p l e d w i th at y p i c a l g r a d e A p l a t e . B o t h t h e p l a te s a r e 1 0 m m t h i c k . T h e g r a d e D p l a t ei s f u l ly d u c t i le e v e n a t - 8 0 C .

F i g u r e 4 s h o w s t h e e f f ec t o f l o a d i n g r a te o n t h e t o u g h n e s s o f th e g r a d eA p l a t e i l l u s t r a t e d i n F i g . 3 . R e d u c i n g t h e s t r e s s i n t e n s i t y r a t e t o1 0 Z M P a m l / 2 /s s h i ft s th e b r i tt le t o d u c t i le t r a n s i ti o n t e m p e r a t u r e d o w n -w a r d s b y n e a r l y 4 0 C .

F i g u r e 5 s h o w s d a t a o n m a n y d i ff e r e n t w e l d s t a k e n f r o m g r a d e A p l a te .T h e t o u g h n e s s s h o w s w i d e s ca t te r a n d i s r o u g h l y e q u i v a l e n t t o t h a t o fg r a d e A p l a te . I n t h e a u th o r s ' e x p e r ie n c e H A Z t o u g h n e s s i s n o w o r s e t h a nt h a t o f t h e p a r e n t p l a t e o r t h e w e l d .

F i g u r e 6 s h o w s t h e t r a n s it io n i n t o u g h n e s s w i th l o a d i n g r a te a t a g i v e nt e m p e r a t u r e f o r t w o w e l d s a n d t w o p l a t e s a m p l e s . I n a ll c a s e s a s h a r p

>. 300a .j

~. 2oomu~

l : 1

O /X

O

A

t t

0

0 tD0

0-~ - - - - - A - - f lt ~ 0

t I I g T a r g e t t o u g h n e s s f o r f r a ct u r ea v o i d a n c e = 1 2 5 M P a v ' m

I I I I- 6 0 - 4 0 - 2 0 0 2 0 4 0Tem perature ( 'C)

F i g . 2 . D y n a m i c f ra c tu r e m e c h a n i c s t o u g h n e s s a t 1 0 4 M P a m l / 2 / s f o r s i x d i f f e r e n t g r a d e Ap l a t e s . E a c h p l a t e h a s a d i f f e r e n t s y m b o l . A l l p l a t e s s a t i s f i e d t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o nr e quir e me nt s f o r g r a de A s t e e l .


6/13

350 J . D . G . S u m p t e r , A . J . C a u d r ey351]300

"~ 250e L

~ 200

= 1502i 0 0

[, k50

Grade Atx Grade D

u n u

Target toughness for fracture avoidance = 125MPa~/m

I I I I I I I- 1 0 0 - 8 0 - 6 0 -40 -20 0 20

Temperature (*C)Fig. 3. Fractu re toug hness compari son between grade A and grade D plate.

3513

300E

"~ 250N 2o0

" 150"0~ i00

~ h

104MPaV'm/sec[] 102MPaV'm/sec

o o 8

0

OO "

500

O

Target toughness for fracture - avoidance = 125MPa~/mI I I I I I I

- 1 0 0 - 8 0 - 6 0 -40 -20 0 20Temperature (*C)

Fig. 4. Effect of loading rate on grade A plate.

increase in toughness is shown from unacceptably low levels under localimpact conditions to very adequate toughness at normal wave loadingrates.Figure 7 gives the relationship between Charpy fracture appearancetransition temperature (FATT) and the temperature at which the fracture


7/13

R e c o m m e n d e d f r a c t u r e t o ug h n es s 3 5 1

e~tm

o

"d

8 0 0T a r g e t t o u g h n e s s f o r f r a c t u r ea v o i d a n c e - i 2 5 M P a ~ / m

6 0 0 - 1 0 4 M P a ' k / m / s e e

4 0 0 -

20 O

o

I I-10O -80

: 0

" i " '- - t - - - - - to 1 " "I I I I I

-60 -40 -20 0 20 40Temperature (*C)

F i g . 5,, D yn am i c f rac t u r e m ec han i c s t oughne s s f o r m an y d i f fe r en t w e ld s am pl es t aken f r omgr ade A p l a te .

5 0 0->

goe~

30 0

10O

AA

~ 4 -= -~

A 13

0 A ATarget toughness f o r f r a c t u r e zx Aa v o i d a n c e = 1 2 5 M P a ~ / m t3o

O

I I I Il0 10O 1000 10O00 10O000

S t r e s s in t e n s i t y r a te ( M P a ~ / m / s c c )Fi g . 6 . E f f ec t o f l oad i ng r a t e on t ou ghne s s a t a f ixed t em per a t u r e f o r 4 d if f e r en t p l a t e and

w e l d s am pl es . Typ i ca l sh i p load i ng r a t e s a r e m a r ked a t t he t op o f t he p l o t .


8/13

3 5 2 J . D . G . Sum p t e r , A . J . Caudrey

E->0 (

II

(oI-.,

-2 0 ~ -

- 4 0

-6 0

-8 0/

- 1 0 0

P l a t e,x W e l do H A Z

f /// */ ~ ' z x

/ / , , ' A A ZX

/// A O I

Z ~

/ o o o o/

i i I ]- 8 0 - 6 0 - 4 0 - 2 0CharpyFATT(*c)

I I I0 2 0 4 0

F i g . 7 . C o r r e l a t i o n b e t w e e n t e m p e r a t u r e t o a t t a i n a t o u g h n e s s o f 1 2 5 M P a m 1/2 a t1 0 4 M P a m l / 2 / s a n d C h a r p y F A T T .

m e c h a n i c s t o u g h n e s s r e a ch e s 1 25 M P a m x/2 ( F A T T i s t h e t e m p e r a t u r e a tw h i c h t h e C h a r p y f r a c t u r e s u r f a c e i s 5 0 % c l e a v a g e a n d 5 0 % t e a r i n g ) .A l t h o u g h t h e c o r r e la t i o n i s im p r e c i se i t s e e m s t o b e a g e n e r a l r u l e t h a t t h eC h a r p y F A T T is e q u a l to o r h i g h e r t h a n t h e t em p e r a t u r e a t w h i c h t h et a r g e t t o u g h n e s s o f 1 25 M P a m ~/2 i s r e a c h e d .

T h i s o b s e r v a t i o n c a n b e u s e d t o i n f e r t h e l i k e l y s p r e a d o f f r a c t u r em e c h a n i c s t o u g h n e s s f r o m t h e la r ge r sp r e a d o f g r a d e A p l a t es f o r w h i c hC h a r p y F A T T is a v a il ab l e. F i g u r e 8 s h o w s a h is t o g r a m o f F A T T v a lu e sf o r p l a te s o f 1 0 t o 1 5 m m t h i c k n e s s .

I t w o u l d b e a g re a t a d v a n t a g e i f t o u g h n e s s c o u l d b e i n fe r r e d f r o mm i c r o st r u ct u r e o r c h e m i c a l c o m p o s i t i o n . A n u m b e r o f o p t i o n s w e r ei n v e s t i g a t e d w i t h t h e b e s t c o r r e l a t i o n c o m i n g f r o m % p e a r l i t e v o l u m ef r a ct io n . R e s u l t s a re s h o w n i n F i g . 9 . A p e a r li te v o l u m e f r a c t i o n o f le s st h a n 1 5% is a ss o c ia t e d w i t h t h o s e p la t es h a v i n g F A T T b e l o w 0 C .

D I S C U S S I O NI t h a s b e e n s u g g e s t ed p r e v i o u s ly 8'9 th a t a m i n i m u m t o u g h n e s s l ev e l o f1 25 M P a m x/2 i s n e e d e d t o p r o v i d e f a c t u r e s a f e t y f o r s h i p m a t e r i a ls ( t h ee q u i v a l e n t v a l u e o f cr it ic a l C T O D , tic w o u l d b e 0 . 15 m m ) . I n s t r u c tu r a lt e rm s t h i s e q u a l s a c r it ic a l c r a c k l en g t h o f a b o u t 5 0 m m w h e n t h e c r a c k i sl o c a t e d i n a t e n s il e r e si d u a l s t re s s f ie l d n e a r a w e l d . T h e n e x t q u e s t i o n i s a t


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Recommendedfracture toughness 3 5 3

,-s

I I I-40 -30 -20 - I0 0 I 0 20 30 40

F r a c tu r e appearance transi t ion temperature (*C)50

F ig . $ , H i s t o g r a m o f F A T T v a l u e s f o r g r a d e A C h a r p y s p e c im e n s f r o m 1 0 t o 1 5 m m t h i ckp l a t e s .

20

-20 -I I I I I I0 5 l0 15 20 25 30

Pear l i te content (% )F i g . 9 . C o r r e l a t i o n b e t w e e n F A T T a n d p e r c e n t a g e p e a r li te fo r g ra d e A p l a te .

w h a t t e m p e r a t u r e a n d l o a d i n g r a t e t h i s s h o u l d b e s p e c i f i e d . T h e h i g h e s tl o a d i n g r a te s ar e e n c o u n t e r e d i n t h e b o t t o m o f t h e s h ip w h e r e l o c a l w a v es l a m n f i n g o c c u r s. H u l l t e m p e r a t u r e s n e a r t h e w a t e r li n e s h o u l d n o t f a l lb e l o w 0 C . I t i s t h u s s u g g e s t e d t h a t a Kso o f 1 2 5 M P a m 1/2 a t 0 C a n d al o a d i n g r a t e o f 1 0 4 M P a m l / 2 / s i s a n a p p r o p r i a t e m i n i m u m t o u g h n e s s


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354 J. D. G. Sumpter, A. J. Caudreyr e q u i r e m e n t . T e m p e r a t u r e s l o w e r t h a n 0 C m i g h t o c c u r i n t h e d e c k b u tl o a d i n g r a t e s w i ll a l so b e l o w e r . A s s h o w n i n F i g . 4 a d r o p i n l o a d i n g r a t ef r o m 104 to 102 M P a m l / 2 / s i s e q u i v a l e n t t o a 4 0 C s h i f t i n t r a n s i t i o ntem pe ra tu re . I t fo l low s tha t i f K jc wa s 125 M P a m 1/2 a t 104 M P a m~/2 /sa n d 0 C t h is s a m e to u g h n e s s w o u l d b e a c h i ev e d a t - 4 0 C a t t h e l o w e rl o a d i n g r a t e o f 102 M P a m ~ /2 /s.

I t is c l e a r f r o m F i g . 2 a n d F i g . 8 t h a t t h e r e is c o n s i d e r a b l e s c a t t e r i n t h et o u g h n e s s o f g r a d e A s t ee l, a n d t h a t m a n y g r a d e A p l a t es f a il t o m e e t t h er e q u i r e d t a r g e t t o u g h n e s s l e v e l . T h i s h a s l e d t h e a u t h o r s t o c o n c l u d e t h a tg r a d e A p l a t e s h o u l d n o t b e u s e d f o r t h e o u t e r s h e ll o f s hi p s. G r a d e D s te elo n t h e o t h e r h a n d h a s v e r y a d e q u a t e t o u g h n e s s . A l l g r a d e D p l a t e ss a m p l e d b y t h e a u t h o r s h a v e h a d C h a r p y t o u g h n e s s w e ll i n e x ce ss o f th es p ec if ie d 2 7 J a t - 2 0 C . H o w e v e r , 27 J a t - 2 0 C s h o u l d e n su r e a F A T Tl es s t h a n 0 C a n d h e n c e s a t is fy t h e c r i t e r i o n s u g g e s t e d a b o v e .

F r o m t h e d a t a i n F i g . 5 w e l d m e t a l to u g h n e s s m a y o f t e n b e n o b e t t ert h a n g r a d e A p l a te . T h e a u t h o r s h a v e c e r t a in l y e n c o u n t e r e d s e v er a l c a se sw h e r e , i n a g i v e n g r a d e A p l a t e s a m p l e , t h e w e l d h a s l e ss t o u g h n e s s t h a nt h e s u r r o u n d i n g p l a t e . I t i s s u g g e s t e d t h a t t h e C h a r p y a c c e p t a n c e c r i t e r i af o r w e l d s a l s o n e e d s t o b e s e t a t F A T T l e s s t h a n 0 C .

W h e n e v a l u a t i n g w e l d s i t i s i m p o r t a n t t o t e st t h e a c t u a l p r o c e d u r e u s e d i nt h e s h ip . C h a r p y s p e c im e n s e x tr a c t ed f r o m m u l t i - r u n c o n s u m a b l e t e st p a n e l sm a y y i e ld o v e r - o p ti m i s t ic v a lu e s i f t h e s h i p w e l d is c o m p l e t e d i n o n l y o n e o rt w o p a ss es . F o r t h e s a m e r e a s o n t h e w e l d p r o f il e s h o u l d b e l ef t i n t a c t w h e np e r f o r m i n g f r a c t u r e m e c h a n i c s t es ts . M a c h i n i n g t h e w e l d p ro f i le f l u s h b e f o rep e r f o r m i n g t h e t es t m a y r e m o v e i m p o r t a n t e v i d e n c e o n w e l d t o u g h n e s s . I na n e f f o r t t o o b t a i n s t r u c t u r a l r e a l i s m t h e a u t h o r s h a v e a l s o e x p e r i m e n t e dw i t h p e r f o r m i n g f r a c tu r e m e c h a n i c s te st s w h e r e t h e f a ti g u e c r a c k i s al l o w e dt o d e v e l o p n a t u r a l l y a t t h e e d g e o f t h e w e l d p ro f il e . A t y p i c a l e x a m p l e i ss h o w n i n F i g . 1 0. W i t h s i g n i f ic a n t w e l d o v e r fi ll i t is l ik e l y t h a t a n y f a t i g u ec r a c k s w h i c h d e v e l o p i n s e r v i c e w i l l o c c u r i n t h i s p o s i t i o n . T h i s t e s t a l s os ee m s b e t t e r th a n t r y in g t o m a c h i n e a n o t c h i n t o t h e H A Z . I n t h e p a r t ic u l a re x a m p l e s h o w n t h e t o u g h n e s s w a s h i g h e r w i t h t h e c r a c k a t t h e e d g e o f t h ew e l d t h a n w i t h a s p e c im e n n o t c h e d c o n v e n t i o n a l l y a t t h e w e l d c e n t re l in e .

T h e u s e o f C h a r p y f r a c t u r e a p p e a r a n c e a s a c o r r e l a ti o n c r i t e r io n i s o f t e nd i s li k e d b e c a u s e o f i ts i m p r e c i s e n a t u r e . C e r t a i n l y v a lu e s s h o u l d a l w a y s b eo b t a i n e d b y t w o i n d e p e n d e n t o p e r a t o r s a n d a n y m a j o r d i s c r e p a n c i e si n v e s ti g a te d . I n p r a c ti c e , th e a u t h o r s h a v e a l w a y s b e e n e n c o u r a g e d b y t h er e p e a t a b i li t y o f i n d e p e n d e n t l y o b t a i n e d C h a r p y c r y s t a l li n i t y r e a d in g s . A na b s o l u t e v a l u e o f C h a r p y e n e r g y c a n b e m i s l e a d i n g b e c a u s e o f t h e v e r ys i g n if i ca n t d i f fe r e n ce i n u p p e r s h e l f e n e r g y b e t w e e n d i f f e r e n t m a t e r i a ls . A na l t e r n a t i v e i s t o u s e t h e m i d e n e r g y t r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e ( M E T T ) , b u tt h is i n v o l v e s a t l e as t o n e t e s t ( a t s a y + 5 0 C ) t o f ix t h e u p p e r s h e l f e n e r g y .


11/13

|

~g1F

umehcspmenwhchhhafag

ckn

dathedothwedp

ebodmicten

tl


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356 J. D. G . Sumpter, A. J. CaudreyI t w o u l d t h e n b e n e c e s s a ry to s h o w t h a t m o r e t h a n h a l f t h is e n e r g y iso b t a i n e d a t 0 C .

I t i s s o m e t i m e s a r g u e d t h a t t h e a d d i t i o n o f c r a c k a r r e st s t r a k e s l eg i t-i m i s es t h e u s e o f g r a d e A s te e l. H o w e v e r , o n c e a c r a c k i s i n i t i a t e d i n g r a d eA s te e l, i t w i l l c e r t a i n l y p r o p a g a t e i n a c l e a v a g e m o d e , a n d a r r e s t e r s n e e dt o b e c l o s e l y s p a c e d t o g u a r a n t e e s t o p p i n g t h e c r a c k . I f t h e c r a c k i s t o ol o n g w h e n i t r e a ch e s t h e a r r e s t e r it m a y w e l l p e n e t r a t e t h e t o u g h m a t e r i a lb y d u c t i l e t e a ri n g . T h e a n a ly s i s p r o c e d u r e s f o r p r e d i c t i n g w h e t h e r o r n o tt h i s w i l l o c c u r a r e v e r y u n c e r t a i n , b u t i t h a s b e e n s u g g e s t e d 14 t h a t s t r a k e so f t o u g h m a t e r i al w o u l d n e e d t o b e s p a c ed a t n o m o r e t h a n 2 .5 m t oe n s u r e a r re s t. I n m o s t s h ip s a r r e s te r s a r e m o r e w i d e l y s p a c e d t h a n t h is ,w i t h t o u g h m a t e r i a l l o c a t e d o n l y a t t h e s h e e r a n d b i l g e s t r a k e s , g i v i n gp o t e n t i a l c r a c k r u n s o f 10 m o r m o r e .

C O N C L U S I O N SA d i r e c t i n d i c a t i o n o f fr a c t u r e s a f et y f o r s h i p h u l l m a t e r i a l c a n b e o b t a i n e db y d y n a m i c f r a c t u r e m e c h a n i c s t e st in g . S p e c i m e n s s h o u l d b e f a t i g u e p re -c r a c k e d a n d h a v e f u ll p la t in g o r w e l d t hi ck n e ss . M a x i m u m i n f o r m a t i o n iso b t a i n e d b y t e st in g a t a r an g e o f te m p e r a t u r e s b e tw e e n - 4 0 C a n d + 2 0 C ;a n d a t a r a n g e o f l o a d i n g r a t e s b e t w e e n 1 0 a n d 5 x 104 M P a m l /2 / s. I f am o r e l i m i t e d r a n g e o f t e s t s i s t o b e u n d e r t a k e n t h e s u g g e s t e d f r a c t u r em e c h a n i c s t es t c o n d i t i o n i s 104 M P a m l / 2 /s a t 0 C .

I t is a d v o c a t e d t h a t a l l s h ip m a t e r i a l , b o t h p l a t e a n d w e l d , s h o u l d h a v e am i n i m u m /(J r o f 1 2 5 M P a m 1/2 w h e n t e s t e d a t a l o a d i n g r a t e o f1 0 4 M P a m l / 2 / s a n d a t e m p e r a t u r e o f 0 C . . A n e q u i v a le n t 6c v a l u e is0 .1 5 m m . I f o n l y C h a r p y d a t a a r e a v a i la b l e t h e t a r g e t v a l u e s a r e a F A T To r M E T T b e lo w 0 C.

A l t h o u g h g r a d e A p l a t e m a y s o m e t i m e s m e e t th e a b o v e t a r g e t v a l u es itd o e s n o t d o s o c o n s i st e n tl y . T h e a u t h o r s c o n s e q u e n t l y c o n s i d e r g r a d e Ap l a t e t o b e u n s u i t a b l e f o r u s e i n t h e o u t e r h u l l s o f sh ip s . G r a d e D p l a t e w i llm e e t t h e a b o v e c r i t e r i a c o n s i s t e n t l y .

S h i p s ' w e l d s s a m p l e d b y t h e a u t h o r s o f t e n f a i l t o m e e t t h e a b o v ec r it e ri a . I t is i m p o r t a n t t h a t t h e r e c o m m e n d e d t o u g h n e s s c r i te r i a b e m e t i ns p e c im e n s w h i c h i n c o r p o r a t e t h e a c t u a l w e l d c o n d i t i o n u s e d i n t h e s h ip .

R E F E R E N C E S1. Lloy d's Register Rules and Reg ulations for the Classif ication of Ships.2. Hodgson, J . & Boyd, G. M., Brit t le fracture in welded ships: an empirical


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Fracture Toughness for Ship Hull